Szilárd fázisú biokatalizátorok

ELŐSZÓ 9

1. BEVEZETÉS 11

2. TÖRTÉNETI ÁTTEKINTÉS 13

3. SZILÁRD FÁZISÚ BIOKATALIZÁTOROK ELŐÁLLÍTÁSA 15

3.1. Rögzítés fizikai módszerekkel 15

3.1.1. Bezárás féligáteresztő hártyák közé 15
3.1.2. Bezárás gélek vagy szálak üregeibe 15
3.1.3. Mikrokapszulázás, kapszulázás 23

3.1.3.1. Koacerváció 23
3.1.3.2. Határfelületi polimerizáció 24
3.1.3.3. Előgéloldás 25
3.1.3.4. Folyadékcseppképzés 25
3.1.3.5. Gyöngyök és kapszulák nagy léptékű termelése 26

3.1.4. Liposzómaképzés 31
3.1.5. Adszorpció nagy felületű hordozókon 31

3.2. Rögzítés kémiai módszerekkel 34

3.2.1. Ionos rögzítés 34
3.2.2. Kovalens kötések kialakítása 35
3.2.3. Biokatalizátorok közötti intermolekuláris kovalens kötések 50
3.2.4. Kémiai beépítés polimerek szerkezetébe 51
3.2.5. Fémkelátkomplexek 51

3.3. Hordozók szilárd fázisú biokatalizátorok előállításához 52

3.3.1. Természetes eredetű gélképzők 52

3.3.1.1. Alginátok 53
3.3.1.2. Karragenátok 54
3.3.1.3. Pektinek 55
3.3.1.4. Gellánmézga 57
3.3.1.5. Kitozán 57
3.3.1.6. Agár (agaróz) 58
3.3.1.7. Dextrán 59
3.3.1.8. Fehérjealapú gélképzők 60

3.3.2. Szintetikusan előállított gélek 60

3.3.2.1. Poliakrilamid 60
3.3.2.2. Poli(vinil-alkohol) (PVA) 63
3.3.2.3. Egyéb bezáró közegek 63

3.3.3. Adszorbensek 63

3.3.3.1. Üveg 63
3.3.3.2. Cellulóz 64
3.3.3.3. Poliuretán 64
3.3.3.4. Biospecifikus (affinitás) adszorbensek 65

3.3.4. Ioncserélők 65

3.3.4.1. Poliszacharid alapú ioncserélők 65
3.3.4.2. Polisztirol származékok 65

3.4. Az enzimek rögzítését befolyásoló tényezők 65

3.4.1. Az aktiváló reagens szerkezetének hatása 65
3.4.2. A reakcióelegy összetételének hatása 67
3.4.3. A reakcióelegy pH-jának hatása 69
3.4.4. A reakcióelegy ionerősségének hatása 71
3.4.5. A hordozó porozitásának hatása 71
3.4.6. A hordozó mátrix és a funkciós csoport közötti "kar" (spacer) hatása 73

3.5. A sejtek rögzítését befolyásoló tényezők 73

3.5.1. Gyökös polimerizáció hatása a sejtekre 73
3.5.2. Szerves oldószerek hatása a sejtek bezárására 74

4. SZILÁRD FÁZISÚ BIOKATALIZÁTOROK TULAJDONSÁGAI 76

4.1. Rögzített enzimek tulajdonságai 76

4.1.1. Katalitikus tulajdonságok 76

4.1.1.1. Katalitikus aktivitás 77
4.1.1.2. A katalitikus aktivitás pH-függése 83
4.1.1.3. A katalitikus aktivitás hőmérséklet-függése 90
4.1.1.4. A szubsztrátkoncentráció hatása 93
4.1.1.5. Specifitás 102

4.1.2. Stabilitás 104

4.1.2.1. Hőstabilitás 105
4.1.2.2. pH-stabilitás 114
4.1.2.3. Szerves oldószerekkel szembeni stabilitás 117
4.1.2.4. Fehérjebontó enzimekkel szembeni stabilitás 118
4.1.2.5. Karbamiddal és guanidin-hidrokloriddal szembeni ellenállás 118
4.1.2.6. Tárolási stabüitás 119
4.1.2.7. Működési stabilitás 123

4.2. Rögzített sejtek tulajdonságai 124

4.2.1. A sejtek elhelyezkedése a hordozóban 124
4.2.2. A rögzített sejtek morfológiai tulajdonságai 130
4.2.3. A rögzítés hatása a sejtek életképességére és anyagcseréjére 131
4.2.4. A fermentációs közeg pH-jának hatása a rögzített sejtekre 133
4.2.5. A fermentációs elegy hőmérsékletének hatása a rögzített sejtekre 136
4.2.6. Mérgek hatása a rögzített sejtekre 137
4.2.7. A rögzítés hatása a plazmidstabilitásra 139
4.2.8. Rögzített sejtes rendszerek működési stabilitása 140

5. BIOREAKTOROK 141

5.1. A bioreaktorok általános szerkezeti és működési jellemzői 141
5.2. Bioreaktor típusok szilárd fázisú biokatalizátorral 144

5.2.1. Szakaszos működésű mechanikusan kevert tankreaktor 144
5.2.2. Folyamatos átáramlású kevert tankreaktor 145
5.2.3. Állóágyas oszlopreaktor 147
5.2.4. Fluidizációs reaktor 150
5.2.5. Cirkulációs reaktor 153
5.2.6. Membránreaktorok 157

5.2.6.1. Közvetlen érintkezésű membránreaktorok 160
5.2.6.2. Diffúziós membránreaktorok 161
5.2.6.3. Többfázisú membránreaktorok 162

5.2.7. A különböző típusú bioreaktorok működésének összehasonlítása 165

5.3. A bioreaktorok működését befolyásoló tényezők 166

5.3.1. A hordozó tulajdonságainak hatása 166
5.3.2. A biokatalizátor inaktiválódásának hatása a bioreaktor teljesítményére 167
5.3.3. A szubsztrátkoncentráció hatása 168
5.3.4. A közeg összetételének hatása 171
5.3.5. Az oxigénigény biztosítása 171
5.3.6. Külső és belső anyagátadási hatások 173
5.3.7. A hőmérséklet hatása 175
5.3.8. Reaktorméret 176
5.3.9. Nyomásesés 178
5.3.10. A visszakeveredés hatása 178
5.3.11. A működtetés módja 179
5.3.12. Integrált termékeltávolítás 180

6. SZILÁRD FÁZISÚ BIOKATALIZÁTOROK GYAKORLATI ALKALMAZÁSAI 182

6.1. Szilárd fázisú biokatalizátorok ipari alkalmazása 182

6.1.1. Szilárd fázisú biokatalizátorok élelmiszeripari alkalmazása 184

6.1.1.1. Tejipar 184
6.1.1.2. Cukoripar, édesipar, cukrászat 188
6.1.1.3. Keményítőfeldolgozás 189

6.1.1.3.1. Cukorszirupok előállítása 189
6.1.1.3.2. Ciklodextrinek előállítása 198

6.1.1.4. Tartósítóipar 201
6.1.1.5. Húsipar 205
6.1.1.6. Növényolajipar 205
6.1.1.7. Erjedésiparok 206

6.1.1.7.1. Etanolgyártás 206
6.1.1.7.2. Sörgyártás 220
6.1.1.7.3. Borászat 224
6.1.1.7.4. Ecetgyártás 226
6.1.1.7.5. Egyéb erjedésipari termékek 228

6.1.2. Szilárd fázisú biokatalizátorok könnyűipari alkalmazása 230

6.1.2.1. Papíripar 230

6.1.3. Szilárd fázisú biokatalizátorok gyógyszeripari alkalmazása 230

6.1.3.1. Antibiotikumok előállítása 230
6.1.3.2. Szteroidátalakítások 239
6.1.3.3. Alkaloidok biotranszformációja 245
6.1.3.4. Monoklonális antitestek 247
6.1.3.5. Hormonok, biológiailag aktív anyagok 250
6.1.3.6. Egyéb gyógyszeripari termékek 251

6.1.4. Szilárd fázisú biokatalizátorok vegyipari alkalmazása 252

6.1.4.1. Finomkémiai termékek 252

6.1.4.1.1. Enzimek előállítása 252
6.1.4.1.2. Koenzimek előállítása 258
6.1.4.1.3. Aminosavak 261

6.1.4.1.3.1. Aminosavak előállítása rögzített sejtekkel 261
6.1.4.1.3.2. Szintetikus aminosav-racemátok rezolválása rögzített enzimekkel 270

6.1.4.1.4. Aminosav-származékok, peptidek 276
6.1.4.1.5. Szerves savak 279
6.1.4.1.6. Cukor-foszfátok 285
6.1.4.1.7. Mesterséges édesítőszerek és adalékanyagaik 286
6.1.4.1.8. Egyéb finomkémiai termékek 288

6.1.4.2. Vegyipari termékek 289

6.2. Szilárd fázisú biokatalizátorok környezetvédelmi alkalmazása 290

6.2.1. Fenolos szennyvizek kezelése 290
6.2.2. Klórozott szénhidrogénekkel szennyezett vizek kezelése 292
6.2.3. Nehézfémionok eltávolítása szennyvizekből 297
6.2.4. Nitrifikáció-denitrifikáció rögzített sejtekkel 300
6.2.5. Biofilterek 301

6.3. Szilárd fázisú biokatalizátorok analitikai alkalmazása 302

6.3.1. Szakaszos analitikai eljárások 303
6.3.2. Folyamatos rendszerek 304
6.3.3. Bioszenzorok 309

6.3.3.1. Bioszenzorok előállítása 310
6.3.3.2. Enzimelektródok 316
6.3.3.3. Rögzített sejtes bioszenzorok 320

6.4. Szilárd fázisú biokatalizátorok gyógyászati alkalmazása 320

6.4.1. Rögzített enzimek gyógyászati alkalmazása 320
6.4.2. Rögzített sejtek gyógyászati alkalmazása 321

7. IRODALOM 325

TARTALOM